뉴턴-현대물리학 3대 이론(NEWTON HIGHLIGHT)

현대 물리학의 핵심을 한 권으로! 물리학은 자연계에서 일어나는 여러 가지 현상에 감추어져 있는 법칙을 찾아내어 설명하는 학문이다. 그 대상 중에는 우리가 매일 보는 현상에 관한 것도 많다. 예를 들면 ‘얼음 위에서는 발이 미끄러지는데 땅 위에서는 왜 미끄러지지 않는가?’ ‘힘껏 던진 야구공은 어떤 원리로 날아가는가?’ ‘사과는 땅으로 떨어지는데 달은 왜 지구로 떨어지지 않는가?’ 등등이다. 그런데 물리학은 우리의 맨눈으로는 인식하기 어려운 분야까지도 그 설명 범위로 한다. 20세기 초에 등장한 ‘상대성 이론’과 ‘양자론’은 그러한 대표적인 사례이며, 이들은 자연계의 비밀을 잘 설명하는 이론이라 할 수 있다. 상대성 이론은 물리학자 아인슈타인이 만들어 낸 시공과 공간, 그리고 중력에 관한 이론이다. 시공(시간과 공간을 하나로 본 것)의 크기는 절대적인 것이 아니라 관측자의 입장에 따라서 늘어나거나 줄어든다는, 우리의 상식과는 동떨어진 세계의 메커니즘을 설명한다. 양자론은 원자나 전자 등 극미 세계 입자들의 움직임을 설명하는 물리 이론이다. 자연계는 궁극적으로 원자나 전자 같은 극미 입자로 이루어져 있기 때문에, 양자론은 자연계의 근원에 다가가는 이론이라고 해도 좋을 것이다. 그런데 상대성 이론과 양자론은 20세기 초까지 인류가 알고 있던 물리 지식의 근본을 뒤집을 정도의 획기적인 내용이었지만, 자연계의 모든 것을 설명할 수는 없었다. 그래서 이들 두 가지 이론을 통합한 ‘궁극의 이론’이 요구되고 있다. 현재 그중에서 가장 유력한 후보라고 일컬어지는 이론은 ‘초끈 이론’이다. 초끈 이론은 자연계의 모든 물질은 약 10-34m 길이의 ‘끈’으로 이루어져 있다고 설명하는 이론이다. 그리고 이 세계는 ‘10(또는 11) 차원’이며, 우주 공간 전체가 ‘막(膜, 브레인)’으로 이루어져 있다는 등 엄청나게 불가사의한 ‘우주의 모양’을 예언한다. 여기에서는 상대성 이론·양자론·초끈 이론이라는, 현대 물리학의 근본이라고도 할 수 있는 ‘3대 이론’을 한 권으로 설명한다. 세 가지 이론의 핵심 내용을 한 권에 요약한 구성이다. 과연 현대의 물리학자들은 이 세계의 메커니즘을 어떻게 밝혀 왔을까? 그리고 최첨단 이론은 어떤 세계를 예언하는가? 자연계의 ‘참모습’을 밝히려는 물리학자들의 노력과 연구 성과, 그리고 앞으로의 과제 등을 정리하는데 더 없이 좋은 기회가 될 것이다.

Part 1 상대성 이론 특수 상대성 이론 광속도 불변의 원리 / 동시성의 불일치 ①~② / 시간의 느려짐 ①~③ / 칼럼 광속도 불변의 원리는 어떤 실험으로 확인되었을까? / 공간이 줄어든다 ①~② / 질량의 증대 ①~② / 질량 = 에너지 / 칼럼 상대성 이론에 의한 공간의 줄어듦을 증명하는 입자가 있다 일반 상대성 이론 중력에 대한 도전 ①~② / 등가 원리 ①~② / 공간이 휘어진다 ①~② / 휘어진 공간과 빛 ①~② / 중력이란 무엇인가? / 중력과 시간의 느려짐 ①~② / 칼럼 상대성 이론에서 우주론으로 / 칼럼 상대성 이론이 올바르다는 것을 보여 주는 새로운 증거 Part 2 양자론 양자론의 탄생 양자론의 ‘설명 범위’ / 불연속 세계 / 양자 가설 ①~② / 광양자 가설 / 빛의 ‘파동과 입자의 양면성’ / 칼럼 빛을 광자의 모임이라고 생각한 아인슈타인 / 칼럼 비눗방울이 무지갯빛으로 보이는 이유는 빛이 파동의 성질을 갖기 때문 / 보어의 원자 모델 ①~② / 전자의 ‘파동과 입자의 양면성’ / 칼럼 전자의 ‘파동과 입자의 양면성’을 결정한 ‘이중 슬릿 실험’ 양자론의 불가사의 파동의 수축 / 전자의 파동 / 슈뢰딩거 방정식 / 불확정성 원리 / 칼럼 양자론의 해석을 둘러싼 논쟁 / 칼럼 양자론으로 ‘반생반사의 고양이’가 태어난다? 양자론의 응용 원자 / 분자와 결합력 / 거대 물질 / 양자 중력 이론과 양자 컴퓨터 / 칼럼 금속, 절연체, 반도체의 성질을 아는 데 필수인 물성 물리학의 ‘밴드 이론’이란? 다시 쓰는 ‘불확정성 원리’ ①~④ Part 3 초끈 이론 초끈 이론 입문 만물의 부품은 ‘끈’ / ‘궁극의 이론’의 후보 / 칼럼 자연계의 최소 부품 ‘소립자’ / ‘끈’은 무엇인가? / 숨은 차원 ①~② / 칼럼 4차원 ‘공간’과 4차원 ‘시공’ / 끈이 들러붙은 ‘막’ / 우주 끈 / 칼럼 우주 끈은 중력파로도 검출 가능 초끈 이론의 발전 초끈 이론의 역사 / 블랙홀의 인공 생성 / 확대되는 응용 사례 / 칼럼 궁극의 이론이 목표로 하는 ‘힘의 통일’ 특별 인터뷰 브라이언 그린 박사 ‘보이지 않는 차원’을 찾아라! ①~④